由卫星资料估算晴空大气太阳直接辐射和散射辐射

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1、第58卷第4期气象学报Vol.58,No.42000年8月ACTAMETEOROLOGICASINICAAug.,2000由卫星资料估算晴空大气太阳直接X辐射和散射辐射陈渭民　　　　　　边　多(南京气象学院,南京,210044)(西藏自治区气象局,拉萨,850000)郁　凡(南京大学大气科学系,南京,210093)摘　　要根据光的多次散射理论,对水汽、气溶胶、臭氧、混合气体等实行辐射参数化处理;利用中国探空站资料和诺阿(NOAA)气象卫星垂直业务探测器(TOVS)资料反演的探空资料,由离散纵标法计算了大气各高度上的太阳直接辐射和

2、散射辐射,并与此同时的和同站点位置的卫星可见光、红外测值进行统计回归拟合,建立卫星测值与大气中太阳直接辐射和散射辐射的计算模式,据此可以利用卫星资料估算太阳直接辐射和太阳散射辐射,这对于大气环境光学特性和大气环流、气候变化的研究有重要意义。关键词:卫星测值,晴空大气,太阳直接辐射,太阳散射辐射。1　引　言太阳辐射是地球2大气系统能量的主要源泉,它推动大气环流,在全球气候变化研究中起重要作用。对太阳辐射的观测和理论计算的研究分析,有助于加深理解全球气候系统(海洋、陆地、冰雪层和大气)的能量平衡和辐射收支。但是对太阳辐射的常规观测至

3、今还局限于地面,即使如此,地面辐射观测站如此之少,难以得到太阳辐射的时空分布。对此近几十年来,国外学者发展了计算大气中太阳直接辐射和散射辐射的二流近似、离散纵标法[1～4]等理论方法,但是这些理论计算所需要的各种参数受常规气象观测的限制,得出的太阳辐射分布在时空上是不连续的。随空间技术的发展,气象卫星以多个波段测量地球2大气系统反射的太阳辐射和其自身发射的红外辐射,由卫星资料已能反演得到大气中的云、温度、湿度和气溶胶等多种气象参数的方法,进而为计算太阳直接辐射和散射辐射提供了有利条件,为研究大气环境光学特性有重要意义。近年来,国

4、内外的学者运用卫星资料反[5～10]演太阳辐射的工作还限于地面,但对大气各高度上太阳直接辐射和散射辐射的研究工作还是空白。本工作的目的就是建立卫星测值与太阳直接辐射和散射辐射的理论关系,提出一个用卫星资料反演大气中太阳直接辐射和散射辐射方法。考虑到大气的各高度上没有太阳直接辐射和散射辐射的观测资料可用,故本工作先利用收集到的无线电探空资料、NOAA卫星的TOVS资料,根据离散纵标法计算各高度上太阳直接辐射和太阳散射辐射。然后将此与卫星的可见光和红外测值进行统计拟合,从而得到卫星估算太阳直接辐X初稿时间:1998年5月29日;修改

5、稿时间:1998年8月3日。资助课题:由卫星资料计算太阳辐射理论模式的研究。©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net458　　　　　　气　象　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　58卷射和散射辐射的统计估计模式。1　基本原理111　辐射传输方程对于平面平行分层大气中的辐射传输方程式写为dIv(Sv,L,U)L=Iv(Sv,L,U)-Jv(Sv,L,U)(1)dSv式中Iv(Sv,L

6、,U)为光学厚度Sv、频率v、方向L=cosH、U上的辐射强度,H为天顶角;Jv(Sv,L,U)是源函数,写为～X2P1v(Sv)Jv(Sv,L,U)=dU∫′dL′Pv(Sv,L,U;L′,U′)Iv(Sv,L′,U′)+Q(Sv,L,U)(2)4P∫0-1～式中Xv(Sv)是单次反照率,Pv(Sv,L,U;L′,U′)是相函数;L′=cosH,U′是入射至Sv处Iv(Sv,L′,U′)的辐射方向,即是Iv(Sv,L′,U′)是来自L′,U′方向,入射至Sv处的散射辐射;Q(Sv,L,U)是太阳一次散射辐射与大气热辐射之和,写

7、为thermalbeamQ(Sv,L,U)=Qv(Sv)+Qv(Sv,L,U)(3)thermal式中Qv为大气热辐射,写为～thermalQv(Sv)=1-Xv(Sv)BvT(Sv)(4)～其中BvT(Sv)是黑体辐射,1-Xv(Sv)为大气吸收率,而大气对太阳辐射的一次散射辐射为～beamXv(Sv)SvQv(Sv,L,U)v=I0vP(Sv,L,U;-L0,U0)exp(-)(5)4PL0式中I0v是入射至大气顶的太阳辐射强度,exp(-S0öL0)是从大气顶到达Sv处的透过率,-L0,U0是直接入射至Sv处太阳辐射强度的

8、方向;P(Sv,L,U;-L0,U0)是大气对太阳辐射一次散射相函数。式中光学厚度Sv=∑Svi=∑kviui(6a)iiui=∫Qidz(6b0)式中ui是i第种物质的含量,Qi是物质密度,kvi是第i种物质的吸收系数。112　辐射传输离散纵标法的解本工作采用